CN103451584A - 一种锡青铜等轴晶组织的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备锡青铜等轴晶组织的方法，属于金属非枝晶组织制备的技术领域。将锡青铜进行横轧和纵轧的多向交替轧制，使得锡青铜的变形量为10～20%；测量锡青铜的固相线温度，然后将变形后的锡青铜加热至固相线温度以下30～50℃温度区间10～20min保温后水淬，得到锡青铜等轴晶组织。本发明操作简单、坯料预变形量小、保温温度较低、保温时间短、能耗低、生产效率高、制备的合金组织均匀细小。
Description
技术领域
本发明涉及一种锡青铜等轴晶组织的方法，小变形量轧制与固相线下短时保温工艺制备，属于金属非枝晶组织制备的技术领域。
背景技术
锡青铜是最常用的铜合金之一，其主要合金元素为Cu和Sn，合金中还可添加P、Zn、Pb、Ni改善其力学性能、抗腐蚀性能、耐磨性能与工艺性能。铸造通常是生产锡青铜制品的第一道工序，在浇铸后，锡青铜会得到连接成网状结构的枝晶组织，其强度、塑性都偏低，为了改善其力学性能，有利于后期加工，需要通过长时间退火工艺将原始铸态组织消除，得到非枝晶组织。由于在锡青铜退火温度650～700℃下，Sn元素在Cu中扩散速度极慢，导致锡青铜的退火需要的时间极长，至少需要8小时，因此采用退火工艺得到锡青铜非枝晶组织是一种能耗高，效率低的生产方法；并且由于退火保温时间太长，得到的锡青铜非枝晶组织晶粒粗大、不均匀，其力学性能等也由于组织的粗大、不均匀而受到影响。
应变诱发熔化激活法（Strain Induced Melt Activation，SIMA法），是制备合金半固态组织的一种方法，其工艺过程也是将合金预变形后进行重熔保温，尤其对制备较高熔点合金的半固态组织具有独特的优越性。SIMA法制备的半固态坯料通常要用于进一步的流变或触变成型，要求坯料中初生固相均匀细小，并具备合适的液相率。为了提高液相率，SIMA法制备合金半固态坯料工艺中需要对坯料进行大程度预变形，在铝合金、镁合金上能够达到40%，且重熔保温温度通常高于固相线，处于固液相线区间内，最终制备的合金组织中液相组织含量要求达到30～40%。由于液相率非常高，初生固相往往被大量液相冷却组织所包裹，因此，这种大预变形量、固相线以上保温的SIMA法所制备的合金组织已经明显区别于常规的等轴晶组织，仅仅适合于后续半固态工艺成型，不适合用于常规机械加工。
发明内容
为了克服上述长时间退火工艺制备锡青铜非枝晶组织能耗高、生产效率低、组织和性能不均匀、晶粒粗大等缺点，本发明提供一种制备锡青铜等轴晶组织的方法，方法简单、节能、高效、制备的锡青铜等轴晶组织和性能均匀。
本发明的技术方案是：首先测量所要制备的铜合金固相线点，然后对合金坯料进行小变形量轧制，最后在固相线下短时保温后得到所需等轴晶组织，包括如下具体制备步骤：
（1）将锡青铜进行横轧和纵轧的多向交替轧制，使得锡青铜的总变形量为10～20%；
（2）测量锡青铜的固相线温度，然后将步骤（1）中变形后的锡青铜加热至固相线温度以下30～50℃温度区间10～20min保温后水淬，得到锡青铜等轴晶组织。
所述锡青铜是以锡为主要合金元素的青铜，含锡量一般在3～14wt%之间。
所述步骤（2）中锡青铜进行多道次轧制时，首先对其进行横轧，然后沿着轧制方向旋转90°，对其进行纵轧；再次沿着轧制方向旋转90°，对其进行横轧，如此重复横轧和纵轧，直到金属或合金坯料的变形量达到10～20%。
所述步骤（2）中，制备锡青铜等轴晶组织用的预变形是轧制工艺，也即对坯料进行横轧与纵轧的多向交替轧制成形，最终将轧制后的合金坯料的变形量控制在10～20%，通过控制变形量，来控制合金坯料中储备的形变能，以实现加热过程中控制晶界处共析或共晶组织的含量和等轴晶尺寸，预变形量越小共析或共晶组织含量越少；
所述步骤（3）中，轧制之后的合金坯料要进行固相线下短时保温，将轧制后的合金加热至固相线以下30～50℃温度区间保温10～20min后水淬，通过控制加热温度和保温时间来控制合金组织中晶界处共析或共晶组织的含量及等轴晶的尺寸。加热温度越低，共析或共晶组织越少，等轴晶直径越小，但加热温度不能低于固相下50℃以上，温度太低Sn元素扩散能力减弱，枝晶也无法快速熔断，不能在短时保温内得到等轴晶组织；在相同的加热温度下，保温时间越长，共析或共晶组织越多，等轴晶直径越大。保温后需要及时水淬处理，随炉冷却会造成组织中晶粒进一步长大，而空冷处理可能造成合金坯料内外晶粒尺寸不均匀，外部冷却较快组织较细小，而内部组织相对粗大。
本发明的特点是通过小的预变形量、低于固相线的保温温度、短的保温时间来减少合金组织中共析或共晶体的含量，仅依靠储备的少量形变能熔断枝晶，得到等轴晶组织。本发明不同于制备半固态坯料所采用的形变诱导融化激活法（SIMA法）工艺，其预变形量较小、保温温度在固相线以下，组织中不会产生大量的液相组织；本发明也不同于传统变形后的再结晶退火工艺，再结晶退火在再结晶温度区间较长时间保温，主要依靠元素扩散完成组织转变，而本发明保温温度远高于再结晶温度、保温时间远小于再结晶退火时间，其核心过程通过储备的形变能完成枝晶的熔断和晶粒的圆整。本发明的具体特点是采用轧制工艺使合金预变形10～20%，积累形变能，然后结合固相线以下30～50℃温度区间10～20min短时保温处理制备锡青铜等轴晶组织，主要是利用横轧与纵轧的多向交替轧制以在合金坯料中储备形变能，再在固相线下30～50℃加热过程中熔断枝晶，获得均匀细小的等轴晶组织，以替代单纯依靠扩散过程来制备非枝晶组织的长时间退火工艺。
本发明的优点和有益效果是：
1、采用本发明，使合金坯料进行轧制成形，具体表现为进行横轧与纵轧的多向交替轧制。在反复的轧制过程中，坯料可以获得10～20%的塑性变形，破碎坯料的原始枝晶，储备一定形变能，使晶粒内部产生一定的位错和大角度的亚晶界。随后在固相线以下30～50℃温度区间短时等温热处理过程中，能够获得均匀、细小的半等轴晶组织；
2、本发明操作简单、坯料预变形量小、保温温度较低、保温时间短、能耗低、生产效率高、制备的合金组织均匀细小。
附图说明
图1为本发明成形工艺的流程图；
图2为本发明获得的CuSn10锡青铜合金等轴晶组织；
图3为本发明获得的CuSn7锡青铜合金等轴晶组织；
图4为本发明获得的CuSn10P1锡青铜合金等轴晶组织。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步阐述，但本发明的保护内容不限于所述范围。
实施方式一：本发明的小变形量轧制与固相线下短时保温工艺制备CuSn10锡青铜等轴晶的方法（参见图1和图 2）：
（1）在室温，利用轧制工艺，对坯料进行横轧与纵轧的多向交替轧制；本实施例中，将CuSn10锡青铜先沿坯料轴向对其进行1道次轧制，压下量为1.5mm；然后将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为1.3mm；再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为1mm；最后再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为0.8mm，一共轧制4个道次，轧制后的合金坯料累计变形量达到15%。
（2）测量要制备半固态坯料合金的固相线点；本实施例中合金为CuSn10锡青铜合金，尺寸为25×25×80mm的长方料，利用差示扫描量热法（DSC）测量该合金的固相线温度为830℃将变形后的CuSn10合金坯料加热至固相线下30℃，即800℃保温10分钟，制备出晶粒尺寸均匀细小的等轴晶组织，然后水淬，最终制备出的CuSn10合金等轴晶组织如图2所示，其组织均匀细小，平均直径103.31μm。
实施方式二：本发明的小变形量轧制与固相线下短时保温工艺制备CuSn7锡青铜等轴晶的方法（参见图1和图3）：
（1）在室温，利用轧制工艺，对坯料进行横轧与纵轧的多向交替轧制；本实施例中，将CuSn7锡青铜先沿坯料轴向对其进行1道次轧制，压下量为1.8mm；然后将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为1.6mm；再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为1.2mm；最后再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为0.9mm，一共轧制4个道次，轧制后的合金坯料累计变形量达到20%。
（2）测量要制备半固态浆料合金的固相线点；本实施例中，合金为CuSn7合金，尺寸为25×25×80mm的长方料，利用差示扫描量热法（DSC）测量该合金的固相线温度为893℃将变形后的CuSn7合金坯料加热至固相线下约45℃，即850℃保温10分钟，然后水淬，最终制备出的CuSn7合金等轴晶组织如图3所示，其组织均匀细小，平均直径85.58μm。
实施方式三：本发明的小变形量轧制与固相线下短时保温工艺制备CuSn10P1锡青铜等轴晶的方法（参见图1和图4）：
（1）在室温，利用轧制工艺，对坯料进行横轧与纵轧的多向交替轧制；本实施例中，将CuSn10P1锡青铜先沿坯料轴向对其进行1道次轧制，压下量为1.5mm；然后将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为1.2mm；再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为1.1mm；最后再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为0.8mm，一共轧制4个道次，轧制后的合金坯料累计变形量达到16%。
（2）测量要制备半固态坯料合金的固相线点；本实施例中合金为CuSn10P1锡青铜合金，尺寸为25×25×80mm的长方料，利用差示扫描量热法（DSC）测量该合金的固相线温度为850℃；将变形后的CuSn10P1合金坯料加热至固相线下30℃，即820℃保温12分钟，然后水淬，最终制备出的CuSn10P1合金等轴晶组织如图4所示，其组织均匀细小，平均直径114.48μm。
实施方式四：本发明的小变形量轧制与固相线下短时保温工艺制备CuSn10锡青铜等轴晶的方法：
（1）在室温，利用轧制工艺，对坯料进行横轧与纵轧的多向交替轧制；本实施例中，将CuSn10锡青铜先沿坯料轴向对其进行1道次轧制，压下量为1.1mm；然后将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为0.8mm；再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为0.6mm；最后再将坯料沿其轴向旋转90°并对其轧制，压下量为0.8mm，一共轧制4个道次，轧制后的合金坯料累计变形量达到10%。
（2）测量要制备半固态坯料合金的固相线点；本实施例中合金为CuSn10锡青铜合金，尺寸为25×25×80mm的长方料，利用差示扫描量热法（DSC）测量该合金的固相线温度为830℃将变形后的CuSn10合金坯料加热至固相线下50℃，即780℃保温20分钟，然后水淬，最终制备出的CuSn10合金等轴晶组织。
结果表明本发明具有操作简单、坯料预变形量小、保温温度较低、保温时间短、能耗低、生产效率高，以及所获得的坯料组织均匀细小等优点，可以应用于不同成分锡青铜等轴晶组织的制备。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (1)
1.一种制备锡青铜等轴晶组织的方法，其特征在于具体步骤包括：
（1）将锡青铜进行横轧和纵轧的多向交替轧制，使得锡青铜的总变形量为10～20%；
（2）测量锡青铜的固相线温度，然后将步骤（1）中变形后的锡青铜加热至固相线温度以下30～50℃温度区间10～20min保温后水淬，得到锡青铜等轴晶组织。
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